第11章、集成运算放大器

第十一章运算放大器1

第11章集成运算放大器§11.1运算放大器简单介绍§11.2运算放大器在信号运算方面的应用§11.3运算放大器在信号处理方面的应用*§11.4运算放大器在波形产生方面的应用§11.6集成功率放大器（自学）*§11.5运算放大器在信号测量方面的应用§11.7运算放大器电路中的负反馈§11.8使用运算放大器应注意的几个问题 （自学）2§11.1集成运算放大器简介集成电路：把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分割的整体。优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。分类：模拟集成电路、数字集成电路； 小、中、大、超大规模集成电路。311.1.1集成电路内部结构的特点在集成电路工艺中还难以制造电感元件； 制造容量大于20PF的电容也比较困难，故集成电路中要尽量避免使用电容器，必须使用时要采用外接的办法； 运算放大器各级之间都采用直接耦合；2、运算放大器的输入级都采用差动放大电路，零点漂移小；3、在集成电路中制造高阻值电阻的成本很高，故在集成运算放大器中往往用晶体管恒流源代替电阻。必须用直流高阻值电阻时，要外接；4、二极管一般用三极管的发射结构成。411.1.2运算放大器的组成输入级输入端输出端中间级输出级偏置电路集成运算放大器的电路可分为输入级、中间级、输出级和偏置电路四个基本组成部分。5输入级作用：提高运算放大器质量的关键部分。要求：其输入电阻高、能减小零点漂移和抑制干扰信号。构成：输入级都采用差动放大电路，它有同相和反相两个输入端。输入级输入端输出端中间级输出级偏置电路11.1.2运算放大器的组成6作用：实现电压放大。要求：电压放大倍数高。构成：由共发射极放大电路构成。中间级输入级输入端输出端中间级输出级偏置电路11.1.2运算放大器的组成7作用：与负载相接。要求：其输出电阻低，带负载能力强，能输出足够大的电压和电流。构成：由互补对称电路或射极输出器构成。输出级输入级输入端输出端中间级输出级偏置电路11.1.2运算放大器的组成8作用：为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。构成：由各种恒流源电路构成。偏置电路输入级输入端输出端中间级输出级偏置电路11.1.2运算放大器的组成9运算放大器的符号F007集成运算放大器的外形、管脚和符号图F007△Auo7234156+15V－15V输出端反相输入端同相输入端RP外接调零电位器的端口1011.1.3主要参数1、最大输出电压UOPP

能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压。2、开环电压放大倍数Auo

在没有外接反馈电路时所测出的差模电压放大倍数。Auo越高，运算电路越稳定，运算精度越高。3、输入失调电压UIO ui=0时，如果要使uo=0，必须在输入端加一个很小的补偿电压，这个补偿电压就是输入失调电压。1111.1.3主要参数4、输入失调电流IIO

指输入信号为零时，两个输入端静态基极电流之差，即IIO=|IB1-IB2|。5、输入偏置电流IIB

输入信号为零时，两个输入端静态基极低那流的平均值，即IIB=(IB1-IB2)/2。6、共模输入电压范围UICM 运算放大器对共模信号具有抑制的性能，但这个性能在规定的共模电压范围内才具备。1211.1.4理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器理想化的条件：开环电压放大倍数Auo→∞;2.差模输入电阻rid→∞;3.开环输出电阻ro→0;4.共模抑制比KCMRR→∞。1311.1.4理想运算放大器及其分析依据理想运放的符号_++u+u-u0反相输入端，对地电压为u-同相输入端，对地电压为u+输出端，对地电压为u0开环电压放大倍数为1411.1.4理想运算放大器及其分析依据运算放大器的传输特性曲线运算放大器的传输特性曲线：表示输出电压u0与输入电压（u+-u-）之间关系的特性曲线。_++u+u-u015_++Auou+u-u011.1.4理想运算放大器及其分析依据运算放大器的传输特性曲线u+－u－uo+Uo（sat）－Uo（sat）O饱和区：饱和电压为－Uo（sat）线性区：uo=Auo(u+－u－)实际特性曲线理想化条件：Auo→∞饱和区：饱和电压为+Uo（sat）1611.1.4理想运算放大器及其分析依据运算放大器的传输特性曲线理想特性曲线理想化条件：Auo→∞_++∞u+u-u0u+－u－uo+Uo（sat）－Uo（sat）O1711.1.4理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器的分析依据1）、因rid→∞，

故两个输入端的输入电流为零。即：i1

=i2

=0。

1、工作在线性区：uiuo+Uo（sat）－Uo（sat）Ou0_++u+u-i1i2在实际使用中，要使理想运算放大器工作在线性区，通常要外接反馈电阻。1811.1.4理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器的分析依据1、工作在线性区：2）、因Auo→∞，此式只满足于线性区反相端“虚地”uiuo+Uo（sat）－Uo（sat）Ou0_++u+u-i1i21911.1.4理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器的分析依据2、工作在饱和区：1）、输出电压：2）、输入电流：i1

=i2

=0uiuo+Uo（sat）－Uo（sat）Ou0_++u+u-i1i2u+与u_不相等！2011.1.4理想运算放大器及其分析依据_++u+u-u0i1i2例题：u+－u－uo+Uo（sat）－Uo（sat）OF007运算放大器的正、负电源电压为±15V，开环电压放大倍数Au0=2×105，输出最大电压为±13V。分别加下列输入电压，求输出电压及其极性：(1)u+=+15μV,u－=－10μV;(2)u+=－5μV,u－=+10μV;(3)u+=0V,u－=+5μV;(4)u+=5mV,u－=0V;

2111.1.4理想运算放大器及其分析依据_++u+u-u0i1i2解：u+－u－uo+Uo（sat）－Uo（sat）O首先计算运算放大器工作在线性区时的输入电压的范围：故：只要两个输入端之间的电压绝对值超过65μV，输出电压就达到正或负的饱和值。2211.1.4理想运算放大器及其分析依据_++u+u-u0i1i2解：u+－u－uo+Uo（sat）－Uo（sat）O(1)(2)2311.1.4理想运算放大器及其分析依据_++u+u-u0i1i2解：u+－u－uo+Uo（sat）－Uo（sat）O(3)、(4)、2411.2.1比例运算1、反相输入§11.2运算放大器在信号运算方面的应用uo_++RFR1R2uii1if+_+_反相比例运算器结构特点：1）输入信号经输入端电阻R1送到反相输入端；2）同相输入端经过电阻R2接地；3）反馈电阻RF跨接在输出端和反相输入端之间。反馈电阻：保证理想运放工作在线性区2511.2.1比例运算1、反相输入§11.2运算放大器在信号运算方面的应用uo_++RFR1R2uii1if+_+_反相比例运算器ii1ii22611.2.1比例运算§11.2运算放大器在信号运算方面的应用uo_++RFR1R2uii1if+_+_反相比例运算器特点：1）u0与ui是比例放大关系；2）u0与ui反相；3）当RF=R1时，u0=-ui，Auf=-1

——反相器1、反相输入2711.2.1比例运算§11.2运算放大器在信号运算方面的应用uo_++RRR2ui+_+_反相器特点：1）u0与ui是比例放大关系；2）u0与ui反相；3）当RF=R1时，u0=-ui，Auf=-1

——反相器1、反相输入28例：求uo与ui的关系式§11.2运算放大器在信号运算方面的应用uo_++RRR2ui+_R3E解：29§11.2运算放大器在信号运算方面的应用11.2.1比例运算2、同相输入_++RFR1R2uiuo+_+_i1if同相比例运算电路结构特点：1）输入信号经输入端电阻R2送到同相输入端；2）反相输入端经过电阻R1接地；3）反馈电阻RF跨接在输出端和反相输入端之间。30u-=u+=ui§11.2运算放大器在信号运算方面的应用11.2.1比例运算2、同相输入_++RFR1R2uiuo+_+_i1if同相比例运算电路ii1ii231§11.2运算放大器在信号运算方面的应用11.2.1比例运算2、同相输入_++RFR1R2uiuo+_+_i1if同向比例运算电路特点：1)、uo与ui同相；2)、Auf总是大于或等于1，与反相比例运算不同；3)、当R1=∞或RF=0时，Auf=1

——电压跟随器32§11.2运算放大器在信号运算方面的应用11.2.1比例运算2、同相输入_++RFR2uiuo+_+_if电压跟随器特点：1)、uo与ui同相；2)、Auf总是大于或等于1，与反相比例运算不同；3)、当R1=∞或RF=0时，Auf=1

——电压跟随器33§11.2运算放大器在信号运算方面的应用11.2.1比例运算2、同相输入特点：1)、uo与ui同相；2)、Auf总是大于或等于1，与反相比例运算不同；3)、当R1=∞或RF=0时，Auf=1

——电压跟随器_++R1R2uiuo+_+_i1电压跟随器34§11.2运算放大器在信号运算方面的应用11.2.1比例运算2、同相输入特点：1)、uo与ui同相；2)、Auf总是大于或等于1，与反相比例运算不同；3)、当R1=∞或RF=0时，Auf=1

——电压跟随器_++R2uiuo+_+_电压跟随器35§11.2运算放大器在信号运算方面的应用11.2.1比例运算电压跟随器_++RFR2uiuo+_+__++R2uiuo+_+__++R2uiuo+_+_36§11.2运算放大器在信号运算方面的应用11.2.1比例运算例题：试计算电路中的输出电压uo_++uo+_7.5KΩ+15V15KΩ15KΩ解：经分析该运放电路是电压跟随器，经两个15KΩ电阻得分压，同相输入端输入电压ui=+7.5V故：uo=+7.5V37§11.2运算放大器在信号运算方面的应用例：求电路中uo与ui的运算关系式_++R1FR11R12ui+__++R2FR21R22uo+_38§11.2运算放大器在信号运算方面的应用11.2.2加法运算结构特点：在反相比例运放电路的基础上，增加了若干输入电路。反相加法运算电路uo_++RFR2i11+_R11R12R13ui1ui2ui3i12i13if39§11.2运算放大器在信号运算方面的应用11.2.2加法运算反相加法运算电路uo_++RFR2i11+_R11R12R13ui1ui2ui3i12i13if40§11.2运算放大器在信号运算方面的应用11.2.2加法运算反相加法运算电路uo_++RFR2i11+_R11R12R13ui1ui2ui3i12i13if技巧： 可看作单端输入后的叠加41§11.2运算放大器在信号运算方面的应用11.2.2加法运算反相加法运算电路uo_++RFR2i11+_R11R12R13ui1ui2ui3i12i13if42§11.2运算放大器在信号运算方面的应用11.2.2加法运算反相加法运算电路uo_++RFR2i11+_R1R1R1ui1ui2ui3i12i13if43§11.2运算放大器在信号运算方面的应用11.2.2加法运算反相加法运算电路uo_++RFR2i11+_R1R1R1ui1ui2ui3i12i13if44§11.2运算放大器在信号运算方面的应用11.2.2加法运算反相加法运算电路uo_++RR2i11+_RRRui1ui2ui3i12i13if45§11.2运算放大器在信号运算方面的应用11.2.3减法运算结构特点：两个输入端都有信号输入——差动输入差动减法运算电路uo_++RFR2+_R1ui1i1ifui2+_+_R346§11.2运算放大器在信号运算方面的应用11.2.3减法运算差动减法运算电路uo_++RFR2+_R1ui1i1ifui2+_+_R347§11.2运算放大器在信号运算方面的应用11.2.3减法运算差动减法运算电路uo_++RFR2+_R1ui1i1ifui2+_+_R3技巧： 可看作单端输入后的叠加48§11.2运算放大器在信号运算方面的应用11.2.3减法运算差动减法运算电路uo_++RFR2+_R1ui1i1ifui2+_+_R349§11.2运算放大器在信号运算方面的应用11.2.3减法运算差动减法运算电路uo_++RFR1+_R1ui1i1ifui2+_+_RF50§11.2运算放大器在信号运算方面的应用11.2.3减法运算差动减法运算电路uo_++RR+_Rui1i1ifui2+_+_R51作业：1、求输出电压与输入电压之间运算关系的表达式。

R3R4uIuOi3i4i2A－＋∞+△R1R1R252特点： 将反相比例运算电路中的反馈元件RF用电容C代替。11.2.4积分运算i1iFui-+++RR2C+__uo5311.2.4积分运算i1iFui-+++RR2C+__uo54例：如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。tui0tuo0U-UomTM积分时限i1iFui-+++RR2C+__uo55tui0tuo0例：输入方波，输出是三角波。i1iFui-+++RR2C+__uo5611.2.4微分运算ui－++uoRR2i1iFC+_+_特点： 将积分运算电路中的反相输入端的电阻和反馈电容调换位置。5711.2.4微分运算u-=u+=0ui－++uoRR2i1iFC+_+_5811.2.4微分运算若ui为阶跃电压时，uo为尖脉冲信号。ui－++uoRR2i1iFC+_+_tui0tuo059§11.3运算放大器在信号处理方面的应用11.3.1有源滤波器

1、所谓滤波器，就是一种选频电路。它能选出有用的信号，而抑制无用的信号，使一定频率范围内的信号顺利通过，衰减很小，而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减很大。2、按选频范围的不同，滤波器可分为：低通、高通、带通和带阻等。3、由运算放大器组成的滤波器，称为有源滤波器。因为运算放大器是有源元件。60§11.3运算放大器在信号处理方面的应用11.3.1有源滤波器

1、有源低通滤波器设ui为某一频率的正弦电压_++RFR1Ruiuo+_+_C+_uC传递函数：T(jω)61§11.3运算放大器在信号处理方面的应用11.3.1有源滤波器

1、有源低通滤波器传递函数：62§11.3运算放大器在信号处理方面的应用11.3.1有源滤波器

1、有源低通滤波器幅频特性_++RFR1Ruiuo+_+_C+_uC电路图63§11.3运算放大器在信号处理方面的应用11.3.1有源滤波器

二阶有源低通滤波器二阶有源低通滤波器改善滤波效果，使ω>ω0时信号衰减更快！电路图_++RFR1Ruiuo+_+_CR幅频特性一阶二阶64§11.3运算放大器在信号处理方面的应用11.3.1有源滤波器

2、有源高通滤波器_++RFR1Ruiuo+_+_C65§11.3运算放大器在信号处理方面的应用11.3.1有源滤波器

2、有源高通滤波器传递函数：66§11.3运算放大器在信号处理方面的应用11.3.1有源滤波器

2、有源高通滤波器幅频特性_++RFR1Ruiuo+_+_C电路图67§11.3运算放大器在信号处理方面的应用11.3.3电压比较器电压比较器的作用是用来比较输入电压和参考电压的大小。68§11.3运算放大器在信号处理方面的应用11.3.3电压比较器_++R1uiuo+_+_R2+_UR特点：运算放大器工作于开环状态。UR是参考电压，加在同相输入端；输入电压ui加在反相输入端；69§11.3运算放大器在信号处理方面的应用11.3.3电压比较器_++R1uiuo+_+_R2+_UR传输特性uouio+Uo(sat)-Uo(sat)UR理想运算放大器工作在饱和区时：70§11.3运算放大器在信号处理方面的应用11.3.3电压比较器传输特性uouio+Uo(sat)-Uo(sat)过零比较器：_++R1uiuo+_+_R2理想运算放大器工作在饱和区时：71§11.3运算放大器在信号处理方面的应用11.3.3电压比较器过零比较器：_++R1uiuo+_+_R2理想运算放大器工作在饱和区时：uitotuoo+Uo(sat)-Uo(sat)72例：设ui=5sinωtV，试画出输出电压的波形（输出电压的饱和值为±4V）。_++R1uiuoR23Vui5V-5Vtuot3V4V-4V73作业：设ui=5sinωtV，试画出输出电压的波形（输出电压的饱和值为±4V）。+－+R1uiuoR23Vui5V-5Vt74§11.7运算放大器电路中的负反馈电路一：反相比例运算器uo_++RFR1R2uii1if+_+_RLid反馈电路：自输出端引出而接到反相输入端。输入信号加在反相输入端。75§11.7运算放大器电路中的负反馈电路一：反相比例运算器＋－uo_++RFR1R2uii1if+_+_RLidi1和if的实际方向相同净输入电流id=i1-if被削弱负反馈！76§11.7运算放大器电路中的负反馈电路一：反相比例运算器＋－uo_++RFR1R2uii1if+_+_RLid负反馈！反馈电流取自输出电压，并与之成正比，故为电压反馈。电压反馈！77§11.7运算放大器电路中的负反馈电路一：反相比例运算器＋－uo_++RFR1R2uii1if+_+_RLid负反馈！反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式作比较，两者并联，故为并联反馈。电压反馈！并联反馈！并联电压负反馈！78§11.7运算放大器电路中的负反馈电路二：同相比例运算器_++RFR1R2uiuo+_+_i1ifRL反馈电路：自输出端引出接到反相输入端，而后经电阻R1接“地”。输入信号加在同相输入端。79§11.7运算放大器电路中的负反馈电路二：同相比例运算器+_uf+_ud_++RFR1R2uiuo+_+_i1ifRLi1和if的实际方向与参考方向相反＋＋净输入电压被削弱,故为负反馈。uf为反馈电压。负反馈！80§11.7运算放大器电路中的负反馈电路二：同相比例运算器_++RFR1R2uiuo+_+_i1ifRL＋＋负反馈！反馈电压取自输出电压，并与之成正比，故为电压反馈。电压反馈！+_uf+_ud81§11.7运算放大器电路中的负反馈电路二：同相比例运算器_++RFR1R2uiuo+_+_i1ifRL＋＋负反馈！电压反馈！反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式作比较，两者串联，故为串联反馈。串联反馈！串联电压负反馈！+_uf+_ud82§11.7运算放大器电路中的负反馈电路三：_++R2uiuo+_RLRio输出电流与负载电阻无关！同相输入恒流源电路83§11.7运算放大器电路中的负反馈电路三：同相输入恒流源电路反馈电路：自输出端的负载电阻RL的靠近“地”端引出，接到反相输入端。将输出电压uo的一部分uf引到反相输入端。uf为反馈电压。+_uf_+ud_++R2uiuo+_RLRio84§11.7运算放大器电路中的负反馈电路三：同相输入恒流源电路_++R2uiuo+_RLRio＋＋净输入电压被削弱,故为负反馈。uf为反馈电压。负反馈！＋+_uf_+ud85§11.7运算放大器电路中的负反